Utilizando energía renovable para bombear agua

Juan Enciso y Michael Mecke*

incluyendo el costo inicial, los costos de laenergía y los costos de mantenimiento.

Energía eólicaEl viento se utiliza a menudo como una fuente

de energía para operar las bombas de agua y sum-inistrar agua al ganado. Debido a la gran cantidadde agua necesaria para los cultivos, la energíaeólica se utiliza raramente para regar los cultivos.A medida que se desarrollen turbinas de vientomás grandes y/o más eficientes, se espera que gru-pos de este tipo de turbinas de viento (o turbinasde viento individuales) sean capaces de generarsuficiente electricidad para ser utilizadas en proyec-tos de riego. Los generadores de viento también seutilizan para cargar baterías y proveer electricidada comunidades pequeñas.

El dispositivo de viento más comúnmente uti-lizado es el molino de viento americano paragranjas y haciendas (Fig. 1). Estos molinos deviento son comunes en las Grandes LlanurasNorteamericanas y a través del suroeste de lanación.

Un molino de viento consiste en:• Un ventilador muy grande con 15 a 40

hélices de acero o galvanizadas• Un mecanismo con una caja de engranes

propulsado por las hélices. Este mecanismoconvierte el movimiento rotatorio de lashélices en un movimiento lineal (de arribahacia abajo)

• Una bomba de pistones que es accionada porel movimiento lineal producido por elmecanismo de la caja de engranes

• Una barra o flecha que desciende del molinode viento a la bomba que está dentro del pozo

Usted puede ahorrar dinero y ayudar areducir la contaminación ambiental mediante eluso de fuentes de energía renovable — tal comoenergía solar o energía eólica — en su hogar,para el riego por goteo o para pozos de aguapara el ganado.

La energía eólica (del viento) y la solar puedenser opciones excelentes en áreas remotas dondelos costos de extender las líneas de distribuciónson altos. Extender las líneas de distribución enuna extensión de 1⁄4 milla cuesta generalmente$5 USD por pie. A ese precio, una extensión de1 milla de una línea de distribución costaría másde $25,000.

Las fuentes de energía renovable son tambiénuna buena opción cuando sólo hay necesidad debombear una cantidad pequeña de agua.Generalmente, se requiere muy poca agua parael ganado y para uso residencial.

Para tomar una decisión inteligente acerca delas fuentes de energía renovable, es útil com-prender algunos conceptos básicos acerca de loscombustibles renovables, incluyendo:

• Cómo funcionan las bombas de energía solary eólica

• Los componentes principales de estas bom-bas

• Las ventajas y desventajas de las bombas deenergía solar y eólica

• Cómo calcular sus requerimientos de bombeo También es importante considerar los costos

de comprar y utilizar un sistema de bombeo,

L-5457S6/07

*Profesor Asistente y Especialista en Ingeniería Agrícola deExtensión; y Especialista de Programas de Extensión—Manejo delAgua; Sistema Universitario A&M

• Un cilindro de la bomba que se colocaen el agua cerca del fondo del pozo yes movido por la barra o flecha

El propulsor debe tener muchashélices para desarrollar una potente tor-sión inicial, la cual es necesaria para quela bomba de pistones empiece a operar.Generalmente, los molinos de vientoempiezan a funcionar cuando las veloci-dades de viento exceden 7 mph.

Energía solarLa energía solar se utiliza principal-

mente para bombear agua para el ganadoo para uso residencial. Rara vez se utilizapara el riego debido a la gran cantidad deagua necesaria para los cultivos. Sinembargo, las bombas solares son econó-micamente factibles para el riego agrícolacuando se requiere poca cantidad de aguay la elevación de bombeo es pequeña,tales como el riego por goteo, el cual uti-liza menos agua que otros tipos de riego.

Las bombas solares convierten laradiación solar en electricidad por mediodel uso de fotoceldas hechas de silicón,generalmente llamadas células foto-voltaicas. Las células fotovoltaicas seencuentran encerradas en un marco devidrio, el cual compone el módulo solar.

A veces, se necesita un arreglo demódulos solares para producir suficienteenergía para la bomba. Los módulos semontan en un marco o armazón llamadoarreglo fotovoltaico (PV por sus siglas eninglés). El arreglo PV es conectado a uncontrolador y después por medio de uncable de energía eléctrica al subsistemadel motor/bomba que está en el pozo(Fig. 2).

Las bombas sumergibles utilizan gen-eralmente un motor de corriente directa(DC). Los motores que utilizan corrientesalternas (AC) deben tener un convertidorde DC a AC. Los motores de DC sonrecomendados porque cuesta más utilizarun convertidor, y se pierde energíadurante la conversión de DC a AC.

Los motores DC más comunes operana un voltaje nominal de 24, 36 y 48voltios, los cuales pueden funcionar a 32,42 y 64 voltios. Un problema con losantiguos motores DC ha sido que en elpasado, los mismos necesitaban escobil-las de carbón, las cuales se desgastabany debían ser reemplazadas regularmente.

2

Hélices

Mecanismo de la cajade engranes

Barra o flecha

Torre

Carga o elevación de bombeo

Tanque de almacenamiento

Parte superior del pozo

Ademe del pozo

Tubo

Cilindro de la bomba

Barra o flecha

Bomba de pistones

Malla (si es necesario)

Parte inferior del pozo

Figura 1. Un molino de viento americano para granjas y haciendas.

Recientemente se han desarrollado motores DCque no necesitan mantenimiento, pues utilizanuna red electrónica de circuitos para realizar lamisma función que las escobillas. Hoy, la may-oría de bombas sumergibles usan motores DCsin escobillas o motores AC con un convertidor.

Durante los últimos años, el costo de losmódulos solares se ha reducido considerable-mente. A medida que incrementa el consumo yla producción solar a gran escala, se espera quelos costos continúen bajando. Un módulo solarcuesta aproximadamente $5 por voltio; unmódulo de 75 voltios cuesta cerca de $375.

Las ventajas y desventajasde la energía solar y eólica

Algunas ventajas y desventajas de utilizarenergía solar o eólica se presentan en la Tabla 1.La ventaja principal de utilizar energía renovablees que la energía para bombear el agua es gratis.

La fuente de energía – ya sea el viento enuna bomba eólica o el sol en una bomba solar –depende de las condiciones del clima de la local-idad. Sin embargo, las condiciones del lugar songeneralmente constantes de un año a otro yvarían sólo con la estación del año. Por ejemplo:la energía solar produce más agua en el verano,cuando el consumo de agua es alto.

En el caso de la energía eólica, el viento soplamás durante la primavera, cuando el promediomensual de velocidad del viento varía de 11.5 a13.4 mph a una altura de 33 pies en el oeste ynoroeste de Texas. En el verano, la velocidadpromedio del viento disminuye, variando de 9.8a 11.5 mph. En el otoño, aumenta levemente de11.5 a 12.5, especialmente en la parte delnoroeste de Texas. En el invierno, la velocidaddel viento varía de 11.5 a 12.5 mph.

Aunque el promedio de estas velocidades delviento parece ser el casi el mismo, un aumentopequeño en el viento aumentará mucho laenergía eólica. De hecho, la energía eólicaaumenta en proporcion cúbica (tres veces) a lavelocidad de viento. Por ejemplo, una velocidaddel viento de 12.6 mph tiene dos veces el poderde una velocidad del viento de 10 mph.

El agua bombeada de los sistemas eólicos ysolares generalmente se almacena en tanques.Tenga presente que su tanque de almacenamien-to necesita ser lo suficientemente grande paraalmacenar el suministro de agua de varios díasen caso de fallas en el sistema o malas condi-ciones para el bombeo (clima desfavorable).

Cuando el tanque de agua está repleto, elexceso de energía solar o eólica se puede almace-nar en baterías ácidas de plomo. Sin embargo,hay varios inconvenientes relacionados con elalmacenaje de energía en baterías:

• Es costoso. • Sólo se pueden almacenar pequeñas canti-

dades de energía (a veces, menos de 1,000 ó2,000 voltios por hora, dependiendo de lacantidad de baterías y su capacidad).

3

Figura 2. Una bomba de agua solar.

Arreglo PV

Control

Tanque de almacenamiento de agua

Abrevadero de riego

Cable eléctrico

Bomba

Motor

• Las baterías necesitan ser reemplazadas porlo menos cada 5 años.

• Las baterías de almacenamiento aumentanel costo inicial del sistema total consider-ablemente.

Estimando el tamaño de la bombaTanto los sistemas de energía solares como los

eólicos utilizan bombas para elevar el agua subter-ránea hasta un tanque de almacenamiento. Paraestimar el tamaño de la bomba para satisfacer susnecesidades, usted debe considerar varios factores:

• La cantidad diaria de agua que se necesita• La capacidad del bombeo, o el número de

galones por hora que la bomba debe sercapaz de elevar

• La cantidad de caballos de fuerza requeridapara elevar esa cantidad de agua

Para calcular sus necesidades de bombeo, cal-cule primero cuánta agua se utilizará diaria-mente y desde qué distancia se debe elevar elagua subterránea (la profundidad del pozo). LaTabla 2 provee lineamientos para calcular lasnecesidades de agua para personas y ganado.

Para estimar los requerimientos totales deagua por día, multiplique el número de personaso animales por la cantidad de agua que se esperaque ellos consuman por día.

Ejemplo: ¿Cuánta agua se necesita para unhato de 100 cabezas de ganado de res?

Requisito de agua = 100 cabezas de ganadox 10 galones/día/cabeza = 1,000 galones/día

Capacidad de bombeo Después, calcule el número de galones por hora

que la bomba debe ser capaz de elevar, que es lacapacidad de bombeo. Ya que el viento no soplatodo el día y el sol no brilla todo el día ni todos losdías, es sumamente recomendable que ustedasuma que en promedio, 5 horas al día estándisponibles para recolectar energía eólica o solar.Para estimar la capacidad de bombeo, divida elnúmero de galones necesarios al día por el númerode horas disponibles para recolectar energía.

Ejemplo: ¿Cuánta agua se necesita para el hatode 100 cabezas de res en el ejemplo de arriba?

Requisito de agua = 100 cabezas de ganado x10 galones/día/cabeza = 1,000 galones/día

4

Tabla 2. Requisitos de agua en galones por día para difer-entes especies.

Especie Galones por día

Humanos 100 por persona

Ganado de res 7-12 por cabeza

Ganado vacuno 10-16 por cabeza

Caballos 8-12 por cabeza

Puercos 3-5 por cabeza

Ovejas y cabras 1-4 po cabeza

Pollos 8-10 por cada 100 aves

Pavos 10-15 por cada 100 aves

Tabla 1. Comparación de las ventajas y las desventajas de los sistemas de energía solares y eólicos.

Factor Sistemas eólicos Sistemas solares

Ventajas

Clima favorable Los vientos estables son las más productivos. Bombean agua consistentemente todo el año.

Portabilidad Pueden ser portátiles y armados en diferentes sitios.

Duración Puede exceder los 50 años, excepto la Más de 20 años. La bomba dura menosbomba de pistones, la cual requiere de tiempo.mantenimiento cada 1 ó 2 años.

Desventajas

Clima tempestuoso Se desgasta más rápidamente con vientos Los paneles pueden dañarse por el granizo.fuertes. Los vientos destructores pueden El tiempo nublado y los días cortos reducenarruinar el sistema. la producción de energía.

Requisitos de energía durante La producción de energía se detiene cuando lacada época del año velocidad del viento es baja, lo que ocurre en

julio y agosto cuando el agua se necesita más.

Costo inicial Costo inicial más bajo. Costo inicial más alto.

Costo de mantenimiento Requiere más mantenimiento. Menos mantenimiento.

Capacidad de bombeo = 1,000galones/día divididos por 5 horas = 200galones/hora

Calculando los caballosde fuerza necesarios

Luego usted necesita calcular la cantidad decaballos de fuerza que la bomba debe tener. Paracalcular los caballos de fuerza necesarios, con-vierta primero la capacidad de bombeo degalones por hora a galones por minuto.

Ejemplo: Para las mismas 100 cabezas deganado de res mencionadas arriba, usted necesi-tará convertir los 200 galones por hora de lacapacidad de bombeo a galones por minuto:

Galones por minuto (GPM) = 200galones/hora divididos por 60 = 3.33 GPM

Ahora, para calcular la cantidad de caballos defuerza necesarios, multiplique la capacidad debombeo por la elevación, la cual es la distanciaque debe elevarse el agua; después divida esenúmero entre 3,960.

HP = Q x H / 3,960En donde:HP = Caballos de fuerzaQ = capacidad de bombeo, en galones por

minuto (GPM)H = elevación, en piesEl pozo en el rancho ganadero del ejemplo de

arriba tiene 100 pies de profundidad. Para elejemplo de arriba, los factores son:

Q = 3.33 GPMElevación = 100 piesEl cálculo debe ser:Caballos de fuerza = 3.33 GPM x 100

pies/3,960 = 0.084 HP (caballos de fuerza)

Convirtiendo los caballosde fuerza a voltios

Los caballos de fuerza utilizados arribadescriben el trabajo mecánico necesario para ele-var cierto volumen de agua por la unidad detiempo desde el nivel del agua de bombeo hastael tanque de almacenamiento. Usted puede con-vertir esta medida de caballos de fuerza a voltiosde electricidad multiplicándolos por 746:

Voltios = 0.084 HP x 746 voltios = 62.7 voltiosDespués, usted necesita ajustar los voltios

para tomar en consideración la pérdida de elect-ricidad en el cable y los controles durante la dis-tribución, y al convertir la electricidad a losmovimientos mecánicos de la bomba. La tasa

promedio de la eficiencia de estas bombas escerca del 45 por ciento. Para ajustar esta cifra,compensando por tal ineficiencia, debemos calcu-lar de nuevo la cantidad de energía, dividiendo elnúmero de voltios por 0.45:

Voltios necesarios = 62.7 divididos entre0.45 = 139.3 V

Finalmente, para un sistema solar, debemos esco-ger el número de paneles solares que producirán elnúmero de voltios requeridos por la bomba. Lospaneles o módulos solares tienen capacidades difer-entes. Hay módulos de 25, 50, 70 ó 75 V.

Es menos costoso utilizar un motor más efi-ciente que agregar un panel solar extra. Para elejemplo arriba, el ganadero podría comprar seispaneles de 25 V, pero sería mucho menos costosocomprar dos paneles solares de 70 V para pro-ducir los 139.3 V necesarios.

Calculando el tamañodel molino de viento

Al comprar un molino de viento, usted debesaber cuáles son los requisitos diarios de elevacióny de agua. Utilice las fórmulas de arriba paradeterminar los caballos de fuerza que su bombadebe tener.

Los componentes principales de un molino deviento son las hélices, la torre y el motor, la barrao flecha de la bomba, el tubo (generalmente es untubo galvanizado de 2 pulgadas), la barra del suc-cionador (un asta de madera, o una barra de aceroo fibra de vidrio) y la bomba de pistones (vea laFig. 1).

Si hay árboles altos en el área, quizás sea nece-sario o quiera usted tener una torre más alta paralevantar las hélices del ventilador por arriba delos árboles y alcanzar el viento. Sin embargo, losmolinos de viento generalmente no tienen más de35 pies de altura; de otro modo, las torres llegan aser demasiado caras.

El rendimiento de un molino de viento en loque al bombeo se refiere, se ve afectado por tresfactores: la velocidad del viento, el diámetro dela rueda o la hélice y el diámetro del cilindro(Tabla 3).

La velocidad del viento tiene un efecto impor-tante en dicho rendimiento. De hecho, la energíadisponible del viento es proporcional al cubo de lavelocidad de viento. Esto significa que cuando lavelocidad del viento se duplica, la energía aumen-ta ocho veces. La mayoría de los molinos de vien-to no operan a velocidades de viento menores de7 mph ni mayores de 30 mph, ya que el molinopuede ser dañado por los vientos fuertes.

5

Ejemplo: En la Tabla 3, para bombear 470galones por hora y elevar el agua a 220 pies, undiámetro del cilindro de 3 pulgadas requerirá deun diámetro de hélice de 14 pies.

Para mayor informaciónIncentivos Estatales para Energía Alternativa

en Texashttp://www.ies.ncsu.edu/dsire/library/includes/map2.cfm?CurrentPageID=1&State=TX

Sociedad de Energía Solar de Texashttp://www.txses.org/

Oficina Estatal de Energía de Texashttp://www.infinitepower.org/

Departamento de Energía de los EE.UU. –Banco de Información sobre Energía Renovablehttp://www.eere.energy.gov/

ReconocimientosEste material se desarrolló con el apoyo de la

Iniciativa de la Cuenca del Río Grande (RGI) delServicio Estatal Cooperativo de Investigación,Educación y Extensión, Departamento deAgricultura de los Estados Unidos, bajo elAcuerdo No. 2001-45049-00149.

Este proyecto fue financiado por elDepartamento de Agricultura de los EstadosUnidos, Proyecto No. 2001-4509-01149, “RiegoEficiente para la Conservación del Agua en laCuenca del Río Grande.”

El autor desea agradecer al Dr. Brian D. Vickdel Laboratorio Investigativo de Conservación yProducción USDA-ARS en Bushland, Texas, porsus valiosas sugerencias y recomendaciones paramejorar esta publicación.

Tabla 3. Capacidades de bombeo y su relación con el diámetro del cilindro y con la hélice del molino de viento.

Diámetro Capacidad de bombeodel cilindro (galones por hora)(pulgadas) Diámetro de la rueda (pies) Diámetro de la hélice (pies)

6 8 a 16 6 8 10 12 14 16

Elevación del bombeo (pies)

2 130 190 95 140 215 320 460 750

2 1/2 225 325 65 94 140 210 300 490

3 320 470 47 68 100 155 220 360

3 1/2 440 640 35 50 76 115 160 265

4 570 830 27 39 58 86 125 200

4 3/4 — 1,170 —- —- 41 61 88 140

5 900 1,300 17 25 37 55 80 130

6 —- 1,875 — 17 25 38 55 85

8 —- 3,300 — — 14 22 31 50

Los programas educativos de la Extensión Cooperativa de Texas están abiertos a todas las personas, sin distinción de raza, color, sexo,